電動(dòng)汽車BMS產(chǎn)品的創(chuàng)新之道何在？
發(fā)布時(shí)間：
2016-04-10
借用經(jīng)濟(jì)界的一句術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車BMS產(chǎn)品目前正處于“滯脹”的狀態(tài)。雖然產(chǎn)品功能在不斷完善，市場(chǎng)應(yīng)用在不斷擴(kuò)大，但是產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)水平卻還停滯不前，原有的痛點(diǎn)依然存在。造成這一局面的主要原因之一，就是我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，都是選用國(guó)外半導(dǎo)體IC廠商提供的電池管理專用IC，并以其應(yīng)用方案為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。BMS產(chǎn)品可以分為軟件算法和硬件架構(gòu)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，因?yàn)檐浖惴ǜ鼮閷I(yè)高深，且與硬件部分關(guān)聯(lián)不大，本文只針對(duì)硬件架構(gòu)與產(chǎn)品功能表現(xiàn)之間的聯(lián)系這部分內(nèi)容進(jìn)行分析討論。
先從電池管理專用芯片說(shuō)起。電池管理專用IC的出現(xiàn)和發(fā)展是和鋰電池應(yīng)用過(guò)程中遇到的種種問(wèn)題息息相關(guān)的。最早是為了解決鋰電池的過(guò)充過(guò)放而設(shè)計(jì)出了單節(jié)電池的充放電保護(hù)芯片，后來(lái)在鋰電池多節(jié)串聯(lián)應(yīng)用中又發(fā)展出應(yīng)用于多串的芯片，這時(shí)候就成為了電池管理芯片，主要是對(duì)電池組中的每節(jié)電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。再以后為了應(yīng)對(duì)電池不一致的問(wèn)題，進(jìn)一步集成了功率開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)功能，這就是帶有均衡功能的電池管理IC。
客觀的講，電池管理專用IC成就了早期的BMS產(chǎn)業(yè)，也引領(lǐng)了BMS產(chǎn)品的發(fā)展。正是因?yàn)橛辛藢Ｓ眯酒珺MS的設(shè)計(jì)才能大大簡(jiǎn)化，產(chǎn)品的小型化和可靠性才有了很大提高，但是同時(shí)，我們也要看到專用芯片的局限性。前面說(shuō)過(guò)，電池管理專用芯片也是隨著鋰電池的應(yīng)用發(fā)展起來(lái)的，而早期的鋰電池多用于小型電子設(shè)備，后來(lái)在筆記本電腦中得到廣泛使用，至此電池管理專用芯片一直都是為低串?dāng)?shù)、小型設(shè)備服務(wù)。當(dāng)鋰電池組應(yīng)用到電動(dòng)汽車時(shí)，情況開(kāi)始有了變化。電動(dòng)汽車用鋰電池組是高串?dāng)?shù)、大容量的電池串聯(lián)使用，動(dòng)輒幾十串甚至上百串的數(shù)量已經(jīng)不是筆記本電腦中幾串這種個(gè)位數(shù)級(jí)別的串聯(lián)使用可以相比的。專用IC也沒(méi)有閑著，迅速地推出了更多串?dāng)?shù)應(yīng)用的產(chǎn)品，但是考慮到電壓和應(yīng)用復(fù)雜度一般都不超過(guò)20串。使用這些IC設(shè)計(jì)的BMS的典型架構(gòu)是集中式架構(gòu)。BMS和電池組之間只有連線，連線數(shù)量取決于電池組串?dāng)?shù)，在BMS電路板上的電池管理專用芯片數(shù)量也取決于電池組串?dāng)?shù)。
從示意圖中可以看出，集中式BMS產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。在電池組串?dāng)?shù)較低時(shí)，比如說(shuō)10來(lái)串，連線還算不太復(fù)雜，而且在電池組容量小的情況下，BMS安裝位置可以靠近整個(gè)電池組，縮短連線距離，電池組----BMS，整個(gè)能量系統(tǒng)比較緊湊一體，在電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車上比較適合。但是在電動(dòng)汽車鋰電池組上應(yīng)用時(shí)，因?yàn)樾枰姵厝萘看?，成組后物理尺寸比較大，連線會(huì)較長(zhǎng)，而且長(zhǎng)短不一，再加上串?dāng)?shù)眾多，連線數(shù)量也就很多，幾十條甚至上百條線的排布非常麻煩。還有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)就是這些連線的順序是需要固定的，因?yàn)閷Ｓ眯酒墓苣_已經(jīng)事先定義了電池串聯(lián)順序，所以每串電池上的連線要接入到BMS指定的接插件腳位。雖然在BMS設(shè)計(jì)工作上這并沒(méi)有什么困難，但是在BMS與電池組的實(shí)際連接工作中卻是一個(gè)不小的麻煩事。一般線都是一端和電池連接在一起，另一端通過(guò)插件接入BMS，與電池連接這些工作現(xiàn)在都是人工完成，將來(lái)也很難由機(jī)器完成，連接在每串電池每個(gè)電極上的線都不能出任何失誤，這整個(gè)的工作量大小可想而知。通過(guò)集中式架構(gòu)的分析，我們看到，專用IC比較適用于小容量、低串?dāng)?shù)的場(chǎng)合，在大容量、高串?dāng)?shù)的場(chǎng)合會(huì)有連線復(fù)雜，需要一一對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)。
再看均衡的問(wèn)題，集中式架構(gòu)比較適合完成被動(dòng)均衡，電路設(shè)計(jì)上不增加復(fù)雜度，現(xiàn)在的主流專用IC也都有此功能。但是電流能力有限，百毫安級(jí)別，在電池組使用初期一致性差別不大的情況下問(wèn)題倒也不大，在中后期一致性差別較大的情況下就會(huì)有電池不均衡矯正不及的風(fēng)險(xiǎn)。如果要加入主動(dòng)均衡功能，現(xiàn)有架構(gòu)基本沒(méi)有任何幫助，需要額外的線束和開(kāi)關(guān)矩陣，電路復(fù)雜程度急劇上升。開(kāi)關(guān)矩陣需要大量的電子開(kāi)關(guān)，MOSFET，但是因?yàn)閿?shù)量多，其控制電路相當(dāng)復(fù)雜，有企業(yè)用繼電器代替，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，但是帶來(lái)了繼電器作為一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)的壽命問(wèn)題和誤動(dòng)作風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然也可以通過(guò)降低繼電器的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)延長(zhǎng)其壽命，通過(guò)誤動(dòng)作檢查來(lái)避開(kāi)風(fēng)險(xiǎn)，但是這樣做始終是無(wú)法保證器件的平均無(wú)故障工作時(shí)間，更何況繼電器的數(shù)量也是相當(dāng)多，不止一個(gè)。這是一種不得已而為之的妥協(xié)方案，而不是解決主動(dòng)均衡開(kāi)關(guān)矩陣難題的正解。
為了解決連線復(fù)雜的難題，出現(xiàn)了分布式架構(gòu)的BMS。這種BMS是將信息采集傳遞的功能與其他功能獨(dú)立分離，整個(gè)系統(tǒng)分成了CSC(單體管理單元)、BMU(電池管理控制器)，CSC安裝在單串電池上，負(fù)責(zé)本串電池信息采集和傳遞，每串電池的信息通過(guò)總線傳入BMU。這種架構(gòu)通過(guò)總線解決了線束復(fù)雜的難題，而且安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，效率高，柔性好，適合不同電池組規(guī)模大小。分布式的BMS可以不用電池管理專用IC，是拋開(kāi)專用IC進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)相對(duì)成功的思路。不足的是，分布式架構(gòu)也沒(méi)有解決一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題，CSC同樣需要設(shè)置地址(雖然可以在安裝后設(shè)置，比集中式架構(gòu)在安裝前就需要確定要容易實(shí)現(xiàn)，出錯(cuò)概率小)，主動(dòng)均衡仍然需要額外的線束和開(kāi)關(guān)矩陣。而且因?yàn)槊總€(gè)CSC上都需要MCU和帶有隔離的通訊總線，價(jià)格要高于集中式架構(gòu)BMS，尤其在低串?dāng)?shù)上優(yōu)勢(shì)不大。
分布式的思路給了集中式的一個(gè)很好的提示，這就是通過(guò)總線解決線束問(wèn)題，專用IC也看到了其中的好處，迅速推出了帶有無(wú)需隔離的通訊總線，進(jìn)一步完善了自己。半分布式架構(gòu)，實(shí)際上是二級(jí)集中式的架構(gòu)成為了BMS主流設(shè)計(jì)之一。這就是將整個(gè)電池組分為幾個(gè)模組，每個(gè)模組使用采用專用芯片設(shè)計(jì)成的一個(gè)小BMS，然后通過(guò)總線連接到一個(gè)最終的控制器上。半分布式架構(gòu)集中了分布式的線束少的優(yōu)點(diǎn)和集中式的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是遺憾的是，以前架構(gòu)沒(méi)能解決的問(wèn)題也跟著繼承下來(lái)，一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡的難題仍然存在。
追本溯源，一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系和主動(dòng)均衡中開(kāi)關(guān)矩陣的難題都來(lái)自于電池管理專用芯片的先天局限，盡管電池管理專用芯片也在不斷進(jìn)化。因?yàn)槭嵌啻畱?yīng)用，在專用IC上，每個(gè)電池檢測(cè)通道必須事先就要確定編號(hào)，事后再得知每個(gè)通道的順序無(wú)法想象，目前看任何IC都無(wú)法設(shè)計(jì)出這么一個(gè)功能。同樣，開(kāi)關(guān)矩陣也是來(lái)源于多串應(yīng)用，又因?yàn)樯婕暗焦β什糠郑@更是IC的天然弱勢(shì)，現(xiàn)有架構(gòu)對(duì)主動(dòng)均衡無(wú)能為力的原因就在于此。所以，如果是低串?dāng)?shù)，無(wú)需主動(dòng)均衡功能的應(yīng)用，采用專用IC方案是可行的，比如電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車和電動(dòng)摩托車；在電動(dòng)汽車級(jí)別的使用中，尤其是要完成主動(dòng)均衡功能，采用專用IC來(lái)設(shè)計(jì)BMS還是比較吃力的。
從2015年的產(chǎn)量上看，電動(dòng)汽車已經(jīng)順利完成了產(chǎn)業(yè)的導(dǎo)入期，后面就是發(fā)展期。BMS急需解決痼疾，市場(chǎng)呼喚新品，只有跳出專用IC方案，BMS創(chuàng)新方可期待。
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